Prezentujemy zautomatyzowaną metodę charakteryzowania efektywnego modułu sprężystości soczewki okularowej za pomocą testu kompresji.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Zautomatyzowane testy kompresji soczewki gałki ocznej
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Biomechaniczne właściwości soczewki ocznej są niezbędne do jej funkcjonowania jako elementu optycznego o zmiennej mocy. Właściwości te zmieniają się dramatycznie wraz z wiekiem ludzkiej soczewki, powodując utratę widzenia z bliska zwaną starczowzrocznością. Mechanizmy tych zmian pozostają jednak nieznane. Kompresja soczewki oferuje stosunkowo prostą metodę oceny sztywności biomechanicznej soczewki w sensie jakościowym, a w połączeniu z odpowiednimi technikami analitycznymi może pomóc w ilościowym określeniu właściwości biomechanicznych. Do tej pory przeprowadzono różne testy kompresji soczewek, w tym zarówno ręczne, jak i automatyczne, ale metody te niekonsekwentnie stosują kluczowe aspekty testów biomechanicznych, takie jak kondycjonowanie wstępne, szybkość obciążenia i czas między pomiarami. W tym artykule opisano w pełni zautomatyzowany test kompresji obiektywu, w którym zmotoryzowany stolik jest synchronizowany z kamerą w celu uchwycenia siły, przemieszczenia i kształtu soczewki w zaprogramowanym protokole ładowania. Na podstawie tych danych można następnie obliczyć charakterystyczny moduł sprężystości. Chociaż zademonstrowano to tutaj przy użyciu soczewek wieprzowych, podejście to jest odpowiednie dla kompresji soczewek dowolnego gatunku.
Wprowadzenie
Soczewka jest przezroczystym i elastycznym organem znajdującym się w oku, który pozwala mu skupiać się na różnych odległościach poprzez zmianę jego mocy refrakcyjnej. Ta zdolność jest znana jako akomodacja. Moc refrakcyjna ulega zmianie w wyniku skurczu i rozluźnienia mięśnia rzęskowego. Kiedy mięsień rzęskowy kurczy się, soczewka pogrubia się i przesuwa do przodu, zwiększając swoją moc refrakcyjną1,2. Wzrost mocy refrakcyjnej pozwala obiektywowi skupić się na pobliskich obiektach. Wraz z wiekiem soczewka staje się sztywniejsza i ta zdolność do adaptacji jest stopniowo tracona; Ten stan jest znany jako starczowzroczność. Mechanizm usztywnienia pozostaje nieznany, przynajmniej częściowo ze względu na trudności związane z biomechaniczną charakterystyką soczewki.
Zastosowano różne metody do oszacowania sztywności soczewek i właściwości biomechanicznych. Należą do nich obracanie obiektywów3,4,5, metody akustyczne6,7,8, metody optyczne, takie jak mikroskopia Brillouin9, indentation10,11 i kompresja12,13. Kompresja jest najbardziej dostępną techniką eksperymentalną, ponieważ można ją wykonać za pomocą prostego oprzyrządowania (np. szklane szkiełka nakrywkowe14,15) lub pojedynczego zmotoryzowanego etapu. Wcześniej pokazaliśmy, w jaki sposób właściwości biomechaniczne soczewki mogą być rygorystycznie oszacowane na podstawie testu kompresji16. Proces ten jest technicznie trudny i wymaga specjalistycznego oprogramowania, które nie jest łatwo dostępne dla badaczy obiektywów zainteresowanych pomiarami sztywności względnej. Dlatego w niniejszym badaniu skupiamy się na dostępnych metodach szacowania modułu sprężystości soczewki z uwzględnieniem rozmiaru soczewki. Moduł sprężystości jest nieodłączną właściwością materiału związaną z jego odkształcalnością: wysoki moduł sprężystości odpowiada sztywniejszemu materiałowi.
Test sam w sobie jest równoległym testem ściskania płyty i dlatego może być przeprowadzony na odpowiednich komercyjnych systemach testowania mechanicznego. W tym przypadku skonstruowano niestandardowy instrument składający się z silnika, stolika liniowego, kontrolera ruchu, ogniwa obciążnikowego i wzmacniacza. Były one kontrolowane za pomocą specjalnego oprogramowania, które rejestrowało również czas, pozycję i obciążenie w regularnych odstępach czasu. Soczewki dla świń nie mieszczą się, ale są łatwo dostępne i niedrogie17. Poniższa metoda została opracowana w celu stopniowego ściskania soczewki oka i ilościowego określania jej modułu sprężystości. Metoda ta może być łatwo powtórzona i będzie przydatna w badaniu sztywności soczewek.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
Oczy świń pobrano z lokalnej rzeźni. Nie wymagano zgody komisji etycznej.
1. Disekcja soczewki (Rycina 1)
- Usuń wszystkie tkanki otaczające oczy świni oraz nadmiar ciała szklistego z twardówki, aż pozostanie tylko nerw wzrokowy. Do wykonania tego procesu użyj zakrzywionej pęsety i małych nożyczek do sekcji. Wykorzystaj nerw jako punkt mocowania do utrzymania oka podczas sekcji.
- Za pomocą skalpela wykonaj krótkie cięcie okrężne w obrębie limbusa, a następnie kolejne cięcie na równiku.
UWAGA: Krok ten jest wykonywany w tej kolejności, aby uniknąć uszkodzenia soczewki i torebki. - Wprowadź mikronożyczki w miejsce cięcia w obrębie limbusa i usuń rogówkę, unosząc ją precyzyjną pęsetą z tępymi końcami, jednocześnie wycinając wzdłuż obwodu rogówki.
- Usuń tęczówkę, unosząc ją pęsetą z tępymi końcami i wycinając mikronożyczkami.
- Wprowadź nożyczki do sekcji w miejsce cięcia równikowego, a następnie wykonaj cięcie okrężne wzdłuż całego równika, aż twardówka zostanie przedzielona na pół.
- Po zakończeniu cięcia usuń tylną część twardówki. Ostrożnie usuń ciało szkliste za pomocą pęsety, pozostawiając minimalne resztki, aby uniknąć uszkodzenia soczewki. W razie potrzeby przetnij ciecz szklistą w płaszczyźnie czołowej, aby umożliwić oddzielenie części tylnej od soczewki i segmentu przedniego.
- Wykonaj cięcie południkowe przez twardówkę od przodu do tyłu za pomocą mikronożyczek.
- Zaczynając od nowego cięcia południkowego przez twardówkę, użyj mikronożyczek, aby odciąć więzadła od soczewki. Wykorzystując ciężar soczewki lub krawędź naczynia do sekcji, delikatnie naciągnij więzadła podczas lekkiego rozdzielania soczewki i twardówki, co umożliwi przecięcie mikronożyczkami obszaru między soczewką a ciałem rzęskowym, przez więzadła i wzdłuż obwodu soczewki. Prawidłowe wykonanie tej czynności pozwoli wyizolować soczewkę bez uszkodzenia jej torebki.
- Jeśli jest to wymagane, usuń torebkę, używając pęsety do przebicia torebki na równiku, a następnie zdejmij torebkę za pomocą dwóch pęset.
- Umieść soczewkę w soli fizjologicznej buforowanej fosforanowo (PBS). Przed testami mechanicznymi dokonaj wizualnej inspekcji soczewki pod kątem ewentualnych uszkodzeń.
2. Kompresja soczewki z/bez torebki soczewki (Rysunek 2)
UWAGA: Wszystkie poniższe kroki, z wyjątkiem kroków 2.1 i 2.4, są sterowane komputerowo.
- Należy pozyskać lub skonstruować aparat do kompresji między równoległymi płytami, wyposażony w ogniwo obciążnikowe o zakresie 50 gf i zdolnością do pomiaru przemieszczenia rzędu 1 µm.
- Należy zaprogramować zmotoryzowany stół i ogniwo tak, aby przeprowadzić schemat obciążania opisany poniżej (np. Supplemental File 1).
- Kwadratowe pudełko o wymiarach 1 5/8 cala x 1 5/8 cala należy niemal całkowicie wypełnić PBS i umieścić je na platformie kompresyjnej.
- Należy opuścić górną płytę do kontaktu z dolną płytą, aby wyznaczyć dolną granicę ruchu i bezwzględną wysokość szczeliny.
- Górną płytę należy podnieść o ~15 mm.
- Należy wyśrodkować soczewkę w pudełku, dbając o to, aby płaszczyzna równikowa była pozioma.
- Należy opuścić górną płytę blisko górnej powierzchni soczewki, ale bez kontaktu z nią.
- Należy zainicjować ruch górnej płyty do kontaktu z soczewką, stosując sprzężenie zwrotne siły z progiem kontaktu wynoszącym 3 mN.
- Po stwierdzeniu kontaktu należy rozpocząć rejestrację danych, zapisując czas, pozycję górnej płyty względem dolnej oraz siłę z częstotliwością 500 Hz.
- Należy zastosować obciążenie wstępne, w którym soczewka jest kompresowana o 2,5% jej początkowej wysokości trzy razy, następnie o 5% trzy razy, a potem o 7,5% trzy razy, przy prędkości 1%/s.
- Po kondycjonowaniu wstępnym należy utrzymać stałą pozycję górnej płyty przez 1 min.
- Należy zastosować kompresję 15% przy prędkości 1%/s, a następnie odciążenie z tą samą prędkością.
- Ruch odciążający należy kontynuować do momentu, aż górna płyta oddali się od dolnej płyty o dodatkowe 2% grubości nieobciążonej soczewki, aby zapewnić oddzielenie soczewki od górnej płyty.
3. Wyznaczenie modułu sprężystości soczewki
- Oszacuj grubość soczewki na podstawie przerwy w urządzeniu w punkcie styku. Alternatywnie zastosuj analizę obrazu, aby zmierzyć grubość na podstawie fotografii wykonanej przed badaniem.
- Oblicz moduł sprężystości E wykorzystując model Hertza dla ściskania sfery między równoległymi płytami (równanie [1]; Plik uzupełniający 2).
(1)
Gdzie R promień krzywizny w punkcie styku (przyjęty jako połowa grubości soczewki); F siła kompresji raportowana przez ogniwo odciążnikowe;
współczynnik Poissona (przyjęty jako 0,5, co odpowiada materiałowi nieściskanialnemu); oraz u jest to ruch w dół górnego stopnia od punktu kontaktu. Należy zauważyć, że moduł sprężystości i współczynnik Poissona są właściwościami materiałowymi wskazującymi odpowiednio na sztywność wewnętrzną soczewki oraz jej względną ściśliwość.
UWAGA: Metoda ta pomija jakąkolwiek rolę torebki soczewki, ale uwzględnia w przybliżeniu rozmiar soczewki, co umożliwia porównanie między gatunkami.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Sześć soczewek świńskich poddano kompresji, najpierw z nienaruszoną torebką, a następnie po ostrożnym usunięciu torebki. Wartości grubości wynosiły 7,65 ± 0,43 mm dla soczewek z torebką oraz 6,69 ± 0,29 mm dla soczewek bez torebki (średnia ± odchylenie standardowe). Typowy przebieg obciążenia przedstawiono na Rysunku 3. Otrzymane krzywe siła-przemieszczenie dobrze pasowały do modelu Hertza (tzn. siła była proporcjonalna do przemieszczenia podniesionego do potęgi 1,5; Rys...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Kompresja soczewki to wszechstronna metoda szacowania sztywności soczewki. Opisane powyżej procedury pozwalają na porównanie soczewek różnych gatunków i różnych rozmiarów. Wszystkie odkształcenia są normalizowane w zależności od rozmiaru soczewki, a obliczenie modułu sprężystości w przybliżeniu uwzględnia rozmiar soczewki. Moduł efektywny jest znacznie wyższy niż moduł zgłoszony wcześniej dla soczewkiświni 4,7,11,19, przynajmniej częściowo ze względu na zastosowanie grubości, a nie prom...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają do zadeklarowania konfliktu interesów.
Podziękowania
Wspierane przez National Institutes of Health grant R01 EY035278 (MR).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Zakrzywione kleszcze ogólnego przeznaczenia ze średnim punktem | Fisherbrand | 16-100-110 | |
| Galil Biblioteki COM | Galil Motion Control | ||
| Precyzyjny uchwyt skalpela | Fisherbrand | 12-000-164 | |
| Stolik liniowy | McMaster-Carr | 6734K4 0,125-calowy | |
| czujnik wagowy | FUTEK | LSB200-FSH03869 | |
| Wzmacniacz ogniw obciążnikowych | FUTEK | IAA300-FSH03931 | |
| MATLAB | The Mathworks, Inc. | ||
| mikrosondy | 22-079-740 | ||
| Miniaturowe precyzyjne nożyczki samootwierające | Excelta | 63042-004 | |
| Kontroler ruchu | Galil Motion Control | DMC-31012 | |
| Motor | Galil Motion Control | BLM-N23-50-1000-B | |
| Hemastaty proste | Nauka piękna | NC9247203 | ze stali nierdzewnej, 14cm |
Bibliografia
- Gullstrand, A. Helmholtz's treatise on physiological optics. translated edn. The Optical Society of America. , Rochester, N.Y. (1924).
- Helmholtz, H. Uber die akkommodation des auges. Arch Ophthalmol. 1, 1-74 (1855).
- Burd, H. J., Wilde, G. S., Judge, S. J. An improved spinning lens test to determine the stiffness of the human lens. Exp Eye Res. 92 (1), 28-39 (2011).
- Reilly, M. A., Martius, P., Kumar, S., Burd, H. J., Stachs, O. The mechanical response of the porcine lens to a spinning test. Z Med Phys. 26 (2), 127-135 (2016).
- Fisher, R. F. The elastic constants of the human lens. J Physiol. 212 (1), 147-180 (1971).
- Erpelding, T. N., Hollman, K. W., O'Donnell, M. Spatially mapping the elastic properties of the lens using bubble-based acoustic radiation force. IEEE Ultrasonics Symp. 1, 613-616 (2005).
- Erpelding, T. N., Hollman, K. W., O'Donnell, M. Mapping age-related elasticity changes in porcine lenses using bubble-based acoustic radiation force. Exp Eye Res. 84 (2), 332-341 (2007).
- Yoon, S., Aglyamov, S., Karpiouk, A., Emelianov, S. A high pulse repetition frequency ultrasound system for the ex vivo measurement of mechanical properties of crystalline lenses with laser-induced microbubbles interrogated by acoustic radiation force. Phys Med Biol. 57 (15), 4871-4884 (2012).
- Scarcelli, G., Kim, P., Yun, S. H. In vivo measurement of age-related stiffening in the crystalline lens by Brillouin optical microscopy. Biophys J. 101 (6), 1539-1545 (2011).
- Weeber, H. A., Gabriele, E., Wolfgang, P. Stiffness gradient in the crystalline lens. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. 245 (9), 1357-1366 (2007).
- Reilly, M. A., Ravi, N. Microindentation of the young porcine ocular lens. J Biomech Eng. 131 (4), 044502(2009).
- Gu, S., et al. Connexin 50 and AQP0 are essential in maintaining organization and integrity of lens fibers. Invest Ophthalmol Vis Sci. 60 (12), 4021-4032 (2019).
- Sharma, P. K., Busscher, H. J., Terwee, T., Koopmans, S. A., van Kooten, T. G. A comparative study on the viscoelastic properties of human and animal lenses. Exp Eye Res. 93 (5), 681-688 (2011).
- Cheng, C., Gokhin, D. S., Nowak, R. B., Fowler, V. M. Sequential application of glass coverslips to assess the compressive stiffness of the mouse lens: strain and morphometric analyses. J Vis Exp. (111), e53986(2016).
- Baradia, H., Negin, N., Adrian, G. Mouse lens stiffness measurements. Exp Eye Res. 91 (2), 300-307 (2010).
- Reilly, M. A., Cleaver, A. Inverse elastographic method for analyzing the ocular lens compression test. J Innov Opt Health Sci. 10 (06), 1742009(2017).
- Hahn, J., et al. Measurement of ex vivo porcine lens shape during simulated accommodation, before and after fs-laser treatment. Invest Ophthalmol Vis Sci. 56 (9), 5332-5343 (2015).
- Parreno, J., Cheng, C., Nowak, R. B., Fowler, V. M. The effects of mechanical strain on mouse eye lens capsule and cellular microstructure. Mol Biol Cell. 29 (16), 1963-1974 (2018).
- Yoon, S., Aglyamov, S., Karpiouk, A., Emelianov, S. The mechanical properties of ex vivo bovine and porcine crystalline lenses: age-related changes and location-dependent variations. Ultrasound Med Biol. 39 (6), 1120-1127 (2013).
- Reilly, M. A., Hamilton, P., Gavin, P., Nathan, R. Comparison of the behavior of natural and refilled porcine lenses in a robotic lens stretcher. Exp Eye Res. 88 (3), 483-494 (2009).
- Mekonnen, T., et al. The lens capsule significantly affects the viscoelastic properties of the lens as quantified by optical coherence elastography. Front Bioeng Biotechnol. 11, 1134086(2023).
- Wilde, G. S., Burd, H. J., Judge, S. J. Shear modulus data for the human lens determined from a spinning lens test. Exp Eye Res. 97 (1), 36-48 (2012).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
